不會(huì)融化的冰：加州大學(xué)教授用“水凝膠”重新定義食品冷藏方式！

　　冰塊因其低成本、高熔融潛熱是食品供應(yīng)鏈中廣泛使用的冷卻介質(zhì)，但融化的冰無(wú)法再次使用，而且還會(huì)由于攜帶了生鮮產(chǎn)品中的微生物而造成嚴(yán)重的交叉污染，影響食品健康。

　　加州大學(xué)孫剛教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款不會(huì)融化的冰，外表像果凍一樣，能夠承受10公斤的重量而不變形，內(nèi)部含有90%的水，卻能夠抗菌防霉、重復(fù)使用十次以上。這款冰塊可以冷卻物品達(dá)13個(gè)小時(shí)，用水或稀釋的漂白劑快速清洗后放入冰箱再次冷凍后可以下次接著用。原料是無(wú)污染可降解的明膠不會(huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題。研究人員還詳細(xì)地研究了凍融過(guò)程對(duì)冰塊性能的影響，成果以Sustainable and Reusable Gelatin-Based Hydrogel “Jelly Ice Cubes” as Food Coolant. II: Ideal Freeze–Thaw Conditions為題發(fā)表在《 ACS Sustainable Chem. Eng》上。

　　【冰塊制作教程】

　　70°C下將明膠溶解在去離子水中得到10%明膠溶液，然后放置在10×10×10毫米的硅模具中4°C過(guò)夜完成凝膠化。水凝膠中連續(xù)的明膠網(wǎng)絡(luò)可以很好地鎖住水分，并起到跟純水相當(dāng)?shù)睦鋮s效果。考慮到冰塊在實(shí)際使用中的可重復(fù)性，研究人員接著使用不同冷凍溫度（F1 = -20°C、F2 = -78.5°C和F3 = -198°C）和解凍速率（T1 = 0.05°C/min、T2 = 0.25°C/min 和T3=2.5°C/min)處理冰塊，以模擬實(shí)際的使用環(huán)境，系統(tǒng)地研究了冷凍溫度、解凍速率和凍融處理周期等對(duì)冰塊相關(guān)性能和功能的影響。

　　示意圖.對(duì)冰塊進(jìn)行凍融處理，模擬實(shí)際的低溫和應(yīng)用條件

　　【冰塊的凍融條件優(yōu)化】

　　圖.不同凍融條件下冰塊的結(jié)構(gòu)示意圖

　　所得聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性與冷凍步驟中形成的冰粒形狀和大小密切相關(guān)水凝膠冰塊中仍然含有90%的水分，冷凍過(guò)程中形成的冰粒有可能破壞明膠網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致冰塊失效。因?yàn)槔鋬鲞^(guò)程中水凝膠內(nèi)部可凍結(jié)水首先成核形成冰晶，接著冰晶增大形成冰粒，然后誘使冰界附近的聚合物鏈分離進(jìn)一步形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。-20℃時(shí)的成核率較低，只有一小部分冷卻的液滴可以形成核，大量可凍結(jié)的水分子聚集在形成的核周?chē)?，冰粒的平均尺寸相?dāng)大。液態(tài)水分形成大塊冰粒，體積膨脹，會(huì)擠壓水凝膠中的聚合物鏈段，縮短了鏈與鏈之間的距離，顯著增加了形成分子間氫鍵的可能性，增加了聚合物網(wǎng)絡(luò)的物理交聯(lián)程度。冰塊融化后就會(huì)產(chǎn)生大量不均勻的中空結(jié)構(gòu)，破壞原有的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。使用干冰-乙醇（-78.5℃）創(chuàng)造急速冷卻的冷凍環(huán)境可以形成較小尺寸的冰粒，這對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞較小。而在液氮（-198 °C）中冷凍的水凝膠，能夠最大程度保持原有的聚合物結(jié)構(gòu)。這也顯著提升了冰塊的凝膠強(qiáng)度，使其能夠經(jīng)受住多次循環(huán)使用。

　　【冰塊的冷卻效果】

　　用PVA/RBPS 水凝膠模擬食物，驗(yàn)證不同冷凍條件下明膠冰塊的冷卻能力。-20℃冷凍的冰塊，其冷卻效率在多次使用后明顯下降，冷卻物體的最終溫度從4.4°C增加到了5.1°C。而在更低溫度下制備的冰塊，即使經(jīng)過(guò)十次左右的循環(huán)使用，冷卻物體的最終溫度也沒(méi)有明顯變化。干冰-乙醇浴條件下制作的冰塊在九個(gè)重復(fù)應(yīng)用周期內(nèi)，冷卻物體的溫度保持在4.0 ± 0.3 °C 的范圍內(nèi)。當(dāng)使用液氮環(huán)境制備的冰塊時(shí)，十個(gè)循環(huán)后冷卻物體的最終溫度始終低于3.6°C。在更低溫度下凍結(jié)的明膠冰塊表現(xiàn)出更好的吸熱穩(wěn)定性。

　　圖. 不同冰塊多次循環(huán)后的冷卻曲線（a）（b），潛熱 (c)、總水含量 (d)、可凍結(jié)水含量 (e) 和壓縮模量 (f) 的比較。

　　【結(jié)論】

　　文中制備了一種能夠抗凍融循環(huán)的環(huán)保水凝膠，可以重復(fù)使用十次以上。研究人員詳細(xì)研究了凍融過(guò)程中冰粒生成和融化的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)快速冷凍和慢速解凍處理的冰塊在多次凍融循環(huán)后還能夠保持相當(dāng)均勻的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在液氮冷凍和4℃冰箱冷藏解凍條件下，水凝膠冰塊具有最優(yōu)的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)（孔徑為23.72 ±20.61μm2) 、穩(wěn)定的熔化潛熱 (248.8 J/g)、恒定的總含水量（約 90%）和優(yōu)秀的冷卻效率，以及凍融后相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度（46 kPa）。這種可循環(huán)利用、不會(huì)發(fā)霉的冰塊有望在生鮮市場(chǎng)中應(yīng)用，大幅降低冰塊融化導(dǎo)致交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。

　　來(lái)源：高分子科學(xué)前沿